CN109362159A - 一种具有漏感能量回收的低纹波led驱动电源 - Google Patents

一种具有漏感能量回收的低纹波led驱动电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，包括整流电路、隔离型交错并联Boost‑PFC电路、纹波补偿电路和LED负载；电网电源经整流电路整流后与所述隔离型交错并联Boost‑PFC电路相连，所述隔离型交错并联Boost‑PFC电路的输出连接至所述LED负载；所述纹波补偿电路包括反激变换器与漏感能量吸收电路；所述漏感能量吸收电路与所述隔离型交错并联Boost‑PFC电路电性相连，用以吸收隔离型交错并联Boost‑PFC电路中变压器漏感产生的电压尖峰，所述漏感能量吸收电路的输出经所述反激变换器连接至LED负载，为LED负载提供纹波补偿信号。本发明既能实现对输出侧低频纹波的抑制，又提高了变换效率，具有较高的应用价值。

Description

一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源
技术领域
本发明涉及LED驱动技术领域，特别是一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源。
背景技术
发光二极管LED(light emitting diode)是继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后的第4代照明光源，具有效率高、寿命长、体积小、色彩丰富、可动态控制等优点，越来越被广泛应用于道路、商业和工业等领域。驱动电源是LED照明的核心部件，它是保证LED发光品质和整体性能的关键。
为了降低LED驱动电源对电网引入的谐波污染，IEC 61000-3-2C类法规对LED通用照明驱动器输入电流的各次谐波提出了限制要求，要求LED照明驱动器具备功率因数校正功能。功率因数校正电路按照拓扑结构可以分为两级式和单级式两种。单级式拓扑能够满足相关标准中对功率因数的要求，并且在拓扑结构上较两级式拓扑简单，具有成本低、效率高、体积小等优点，在中小功率场合得到广泛应用。但单级式拓扑瞬时输入功率与恒定输出功率不平衡，导致其输出侧存在较大的低频纹波，使LED工作时出现频闪问题。目前已有众多学者针对这一问题展开了研究。
针对单级电路拓扑开关管电压应力高的问题，传统的解决方法是通过加入RCD吸收电路来吸收漏感引起的电压尖峰能量，降低开关管电压应力，但是RCD电路吸收的能量全部在电阻上消耗，这不利于变换器效率的提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，既能实现对输出侧低频纹波的抑制，又提高了变换效率，具有较高的应用价值。
本发明采用以下方案实现：一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，具体包括整流电路、隔离型交错并联Boost-PFC电路、纹波补偿电路和LED负载；电网电源经整流电路整流后与所述隔离型交错并联Boost-PFC电路相连，所述隔离型交错并联Boost-PFC电路的输出连接至所述LED负载；
所述纹波补偿电路包括反激变换器与漏感能量吸收电路；所述漏感能量吸收电路与所述隔离型交错并联Boost-PFC电路电性相连，用以吸收隔离型交错并联Boost-PFC电路中变压器漏感产生的电压尖峰，所述漏感能量吸收电路的输出经所述反激变换器连接至LED负载，为LED负载提供纹波补偿信号。
进一步地，所述隔离型交错并联Boost-PFC电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一变压器T1、第一开关管S1、第二开关管S2、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8；所述漏感能量吸收电路包括第九二极管D9、第十二极管D10、以及钳位电容C1；所述反激变换器包括第三开关管S3、第二变压器T2、以及第十一二极管D11；
所述第一电感L1与第二电感L2的一端相连并连接至整流电路的第一输出端，所述第一电感L1的另一端分别连接至第一变压器T1的原边同名端、第九二极管D9的阳极、以及第一开关管S1的漏极；所述第二电感L2的另一端分别连接至第一变压器T1的原边异名端、第十二极管D10的阳极、以及第二开关管S2的漏极；所述第九二极管D9的阴极、第十二极管D10的阴极、以及钳位电容C1的一端均连接至第二变压器T2原边同名端；所述第二变压器T2的异名端连接至第三开关管S3的漏极；所述第三开关管S3的源极、钳位电容C1的另一端、第二开关管S2的源极、以及第一开关管S1的源极均连接至整流电路的第二输出端；所述第一变压器T1的副边同名端分别连接至第五二极管D5的阳极以及第七二极管D7的阴极；所述第一变压器T1的副边异名端分别连接至第六二极管D6的阳极以及第八二极管D8的阴极；所述第五二极管D5的阴极、第六二极管D6的阴极与第十一二极管D11的阴极相连，并连接至LED负载的一端；所述第十一二极管D11的阳极连接至第二变压器T2的副边同名端，所述第二变压器T2的副边异名端、第七二极管D7的阳极、第八二极管D8的阳极相连，并连接至LED负载的另一端；
通过第九二极管D9、第十二极管D10以及钳位电容C1吸收第一变压器T1的电压尖峰能量，并通过反激变换器将吸收的能量传递到负载侧，进而实现对输出低频纹波的抑制。
本发明的纹波补偿电路充分利用了变压器的漏感能量，并将其转化为低频纹波补偿信号，使得LED电流的低频纹波大大减小。纹波补偿电路既降低了开关管S1和S2的电压应力，提高了电路的变换效率，又抑制了输出电流的低频纹波。
进一步地，所述第一开关管S1与第二开关管S2交错工作，互有交叠。
进一步地，所述第一开关管S1与第二开关管S2的工作使得电路包括六个模态：
模态1：t0时刻，第一开关管S1开通，第二开关管S2保持开通状态，由于第一开关管S1、第二开关管S2都处于开通状态，第九二极管D9、第十二极管D10反向截止；
模态2：t1时刻，第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2关断，第二电感L2从充电状态转变成续流放电状态，能量通过第一变压器T1、第六二极管D6、第七二极管D7传递到负载侧；换流时，由于第一变压器T1存在漏感，第一变压器T1原边电流瞬间变化在漏感上产生很大的电压尖峰，第十二极管D10正向导通；
模态3：第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2保持关断状态，t2时刻，漏感电压尖峰能量完全被钳位电容C1吸收，钳位电容C1充电电流降为零，第十二极管D10反向截止；
模态4：t3时刻，第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2开通，第九二极管D9、第十二极管D10反向截止，
模态5：t4时刻，第一开关管S1关断，第二开关管S2保持开通状态，第一电感L1从充电状态转变成续流放电状态，第九二极管D9正向导通，钳位电容C1吸收电压尖峰能量；
模态6：第一开关管S1保持关断状态，第二开关管S2保持开通状态，t5时刻，漏感电压尖峰能量完全被钳位电容C1吸收，钳位电容C1充电电流降为零，第九二极管D9反向截止。
进一步地，所述第一电感L1和第二电感L2均工作在DCM或BCM模式。
进一步地，所述钳位电容C1的电压始终大于第一变压器T1的原边绕组两端电压。
本发明通过控制开关管S1、S2实现功率因数校正和DC/DC变换，通过钳位二极管D9、D10以及钳位电容C1吸收电压尖峰能量并通过控制反激变换器将吸收的能量传递到负载侧，实现对输出低频纹波的抑制。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明能够将吸收到的电压尖峰能量传递到LED负载，用于补偿单级功率因数校正电路产生的低频纹波，这样既能实现对输出侧低频纹波的抑制，又提高了变换效率，具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的主电路原理示意图。
图2为本发明实施例的主电路相关工作波形示意图。
图3为本发明实施例的电路工作模态1示意图。
图4为本发明实施例的电路工作模态2示意图。
图5为本发明实施例的电路工作模态3示意图。
图6为本发明实施例的电路工作模态4示意图。
图7为本发明实施例的电路工作模态5示意图。
图8为本发明实施例的电路工作模态6示意图。
图9为本发明实施例的换流等效电路图。
图10为本发明实施例的纹波抑制电路工作等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供了一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，具体包括整流电路、隔离型交错并联Boost-PFC电路、纹波补偿电路和LED负载；电网电源经整流电路整流后与所述隔离型交错并联Boost-PFC电路相连，所述隔离型交错并联Boost-PFC电路的输出连接至所述LED负载；
所述纹波补偿电路包括反激变换器与漏感能量吸收电路；所述漏感能量吸收电路与所述隔离型交错并联Boost-PFC电路电性相连，用以吸收隔离型交错并联Boost-PFC电路中变压器漏感产生的电压尖峰，所述漏感能量吸收电路的输出经所述反激变换器连接至LED负载，为LED负载提供纹波补偿信号。
如图1所示，在本实施例中，所述隔离型交错并联Boost-PFC电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一变压器T1、第一开关管S1、第二开关管S2、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8；所述漏感能量吸收电路包括第九二极管D9、第十二极管D10、以及钳位电容C1；所述反激变换器包括第三开关管S3、第二变压器T2、以及第十一二极管D11；
所述第一电感L1与第二电感L2的一端相连并连接至整流电路的第一输出端，所述第一电感L1的另一端分别连接至第一变压器T1的原边同名端、第九二极管D9的阳极、以及第一开关管S1的漏极；所述第二电感L2的另一端分别连接至第一变压器T1的原边异名端、第十二极管D10的阳极、以及第二开关管S2的漏极；所述第九二极管D9的阴极、第十二极管D10的阴极、以及钳位电容C1的一端均连接至第二变压器T2原边同名端；所述第二变压器T2的异名端连接至第三开关管S3的漏极；所述第三开关管S3的源极、钳位电容C1的另一端、第二开关管S2的源极、以及第一开关管S1的源极均连接至整流电路的第二输出端；所述第一变压器T1的副边同名端分别连接至第五二极管D5的阳极以及第七二极管D7的阴极；所述第一变压器T1的副边异名端分别连接至第六二极管D6的阳极以及第八二极管D8的阴极；所述第五二极管D5的阴极、第六二极管D6的阴极与第十一二极管D11的阴极相连，并连接至LED负载的一端；所述第十一二极管D11的阳极连接至第二变压器T2的副边同名端，所述第二变压器T2的副边异名端、第七二极管D7的阳极、第八二极管D8的阳极相连，并连接至LED负载的另一端；
通过第九二极管D9、第十二极管D10以及钳位电容C1吸收第一变压器T1的电压尖峰能量，并通过反激变换器将吸收的能量传递到负载侧，进而实现对输出低频纹波的抑制。
本实施例的纹波补偿电路充分利用了变压器的漏感能量，并将其转化为低频纹波补偿信号，使得LED电流的低频纹波大大减小。纹波补偿电路既降低了开关管S1和S2的电压应力，提高了电路的变换效率，又抑制了输出电流的低频纹波。
本实施例的电路相关工作波形如图2所示，其中Vgs1、Vgs2分别为开关管S1、S2驱动电压波形，iL1、iL2分别为输入电感L1、L2电流波形，iC1为钳位电容充电电流波形，Vds1、Vds2分别为开关管S1、S2漏源两端电压波形，T为开关管工作周期。
在本实施例中，所述第一开关管S1与第二开关管S2交错工作，互有交叠。
在本实施例中，所述第一开关管S1与第二开关管S2的工作使得电路包括六个模态，如图3至图8所示：
模态1：如图3所示，t0时刻，第一开关管S1开通，第二开关管S2保持开通状态，由于第一开关管S1、第二开关管S2都处于开通状态，第九二极管D9、第十二极管D10反向截止；
模态2：如图4所示，t1时刻，第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2关断，第二电感L2从充电状态转变成续流放电状态，能量通过第一变压器T1、第六二极管D6、第七二极管D7传递到负载侧；换流时，由于第一变压器T1存在漏感，第一变压器T1原边电流瞬间变化在漏感上产生很大的电压尖峰，第十二极管D10正向导通；其换流等效电路如图9所示；
模态3：如图5所示，第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2保持关断状态，t2时刻，漏感电压尖峰能量完全被钳位电容C1吸收，钳位电容C1充电电流降为零，第十二极管D10反向截止；
模态4：如图6所示，t3时刻，第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2开通，第九二极管D9、第十二极管D10反向截止，
模态5：如图7所示，t4时刻，第一开关管S1关断，第二开关管S2保持开通状态，第一电感L1从充电状态转变成续流放电状态，换流过程与模态2类似，第九二极管D9正向导通，钳位电容C1吸收电压尖峰能量；
模态6：如图8所示，第一开关管S1保持关断状态，第二开关管S2保持开通状态，t5时刻，漏感电压尖峰能量完全被钳位电容C1吸收，钳位电容C1充电电流降为零，第九二极管D9反向截止。
在一个工作周期内，电路换流两次，每次换流钳位电容吸收电压尖峰能量，钳位电容充电，纹波抑制电路工作时将吸收到的电压尖峰能量通过反激变换器传递到负载侧，钳位电容放电，纹波抑制电路工作等效电路如图10所示。
在本实施例中，所述第一电感L1和第二电感L2均工作在DCM或BCM模式。
在本实施例中，所述钳位电容C1的电压始终大于第一变压器T1的原边绕组两端电压。
本实施例通过控制开关管S1、S2实现功率因数校正和DC/DC变换，通过钳位二极管D9、D10以及钳位电容C1吸收电压尖峰能量并通过控制反激变换器将吸收的能量传递到负载侧，实现对输出低频纹波的抑制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，其特征在于：包括整流电路、隔离型交错并联Boost-PFC电路、纹波补偿电路和LED负载；电网电源经整流电路整流后与所述隔离型交错并联Boost-PFC电路相连，所述隔离型交错并联Boost-PFC电路的输出连接至所述LED负载；
所述纹波补偿电路包括反激变换器与漏感能量吸收电路；所述漏感能量吸收电路与所述隔离型交错并联Boost-PFC电路电性相连，用以吸收隔离型交错并联Boost-PFC电路中变压器漏感产生的电压尖峰，所述漏感能量吸收电路的输出经所述反激变换器连接至LED负载，为LED负载提供纹波补偿信号。
2.根据权利要求1所述的一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，其特征在于：所述隔离型交错并联Boost-PFC电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一变压器T1、第一开关管S1、第二开关管S2、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8；所述漏感能量吸收电路包括第九二极管D9、第十二极管D10、以及钳位电容C1；所述反激变换器包括第三开关管S3、第二变压器T2、以及第十一二极管D11；
所述第一电感L1与第二电感L2的一端相连并连接至整流电路的第一输出端，所述第一电感L1的另一端分别连接至第一变压器T1的原边同名端、第九二极管D9的阳极、以及第一开关管S1的漏极；所述第二电感L2的另一端分别连接至第一变压器T1的原边异名端、第十二极管D10的阳极、以及第二开关管S2的漏极；所述第九二极管D9的阴极、第十二极管D10的阴极、以及钳位电容C1的一端均连接至第二变压器T2原边同名端；所述第二变压器T2的异名端连接至第三开关管S3的漏极；所述第三开关管S3的源极、钳位电容C1的另一端、第二开关管S2的源极、以及第一开关管S1的源极均连接至整流电路的第二输出端；所述第一变压器T1的副边同名端分别连接至第五二极管D5的阳极以及第七二极管D7的阴极；所述第一变压器T1的副边异名端分别连接至第六二极管D6的阳极以及第八二极管D8的阴极；所述第五二极管D5的阴极、第六二极管D6的阴极与第十一二极管D11的阴极相连，并连接至LED负载的一端；所述第十一二极管D11的阳极连接至第二变压器T2的副边同名端，所述第二变压器T2的副边异名端、第七二极管D7的阳极、第八二极管D8的阳极相连，并连接至LED负载的另一端；
通过第九二极管D9、第十二极管D10以及钳位电容C1吸收第一变压器T1的电压尖峰能量，并通过反激变换器将吸收的能量传递到负载侧，进而实现对输出低频纹波的抑制。
3.根据权利要求2所述的一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，其特征在于：所述第一开关管S1与第二开关管S2交错工作，互有交叠。
4.根据权利要求3所述的一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，其特征在于：所述第一开关管S1与第二开关管S2的工作使得电路包括六个模态：
模态1：t0时刻，第一开关管S1开通，第二开关管S2保持开通状态，由于第一开关管S1、第二开关管S2都处于开通状态，第九二极管D9、第十二极管D10反向截止；
模态2：t1时刻，第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2关断，第二电感L2从充电状态转变成续流放电状态，能量通过第一变压器T1、第六二极管D6、第七二极管D7传递到负载侧；换流时，由于第一变压器T1存在漏感，第一变压器T1原边电流瞬间变化在漏感上产生很大的电压尖峰，第十二极管D10正向导通；
模态3：第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2保持关断状态，t2时刻，漏感电压尖峰能量完全被钳位电容C1吸收，钳位电容C1充电电流降为零，第十二极管D10反向截止；
模态4：t3时刻，第一开关管S1保持开通状态，第二开关管S2开通，第九二极管D9、第十二极管D10反向截止，
模态5：t4时刻，第一开关管S1关断，第二开关管S2保持开通状态，第一电感L1从充电状态转变成续流放电状态，第九二极管D9正向导通，钳位电容C1吸收电压尖峰能量；
模态6：第一开关管S1保持关断状态，第二开关管S2保持开通状态，t5时刻，漏感电压尖峰能量完全被钳位电容C1吸收，钳位电容C1充电电流降为零，第九二极管D9反向截止。
5.根据权利要求2所述的一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，其特征在于：所述第一电感L1和第二电感L2均工作在DCM或BCM模式。
6.根据权利要求2所述的一种具有漏感能量回收的低纹波LED驱动电源，其特征在于：所述钳位电容C1的电压始终大于第一变压器T1的原边绕组两端电压。
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